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홀 개념
반도체가 전기를 통하게 되는 매커니즘을 이해하는 데에는 홀이라는 개념이 중요하다. <그림 1>에서 보는 바와 같이 전자가 튀어나가면 그 뒤에는 '전자의 공백'이 생긴다. 그렇게 되면 그림의 (b)와 같이 근처에 있는 전자가 이 공백을 메꾸기 위해 이동하게 되고, 그 자리에 또 다시 공백이 생겨 옆의 전자가 메꾸어 주는 식으로 되풀이된다. 이 공백을 홀(hole)이라 부르며, 그 이동하는 방향은 그림과 같이 전자의 이동과는 반대 방향이 된다.
<그림 1> 전자와 홀의 움직임
따라서 홀이 움직인다는 것은 전자가 움직이는 것과 마찬가지이며, 전류가 흐른다는 뜻이 된다.
N형 반도체, P형 반도체
반도체에 불순물을 첨가하면 어떤 변화가 일어날까? 게르마늄을 예로 들어 설명해 보겠다. 지금 순수 게르마늄(Ge) 속에 가전자가 하나 더 많은 비소(As)를 넣어보자. 앞서 설명한 것과 같이 게르마늄에는 원자 사이를 결합시키는 4개의 가전자가 있다. 4개의 가전자를 가지고 있는 게르마늄에 5개의 가전자를 가지고 있는 비소(As)를 첨가하면 게르마늄과 어울려 결정을 이루는데, 이 때 전자가 하나 남으므로 이것이 과잉전자가 되어 자유롭게 움직일 수 있게 된다. 즉 극히 소량의 비소를 가해줌으로써 전류가 흐르기 쉬운 상태가 되는 것이다. 전자는 -(Negative)전기를 가지고 있으므로 전자가 주역이 되어 과잉전자가 생기는 반도체를 네거티브(Negative)의 머리글자를 따서 N형 반도체라고 한다.
이와 반대로 게르마늄(4개의 가전자를 가지고 있음)보다 가전자가 하나 적은 3개밖에 없는 인듐(In)을 혼합하면 필요한 전자가 부족하므로 전자가 빈 곳에 홀(hole)이 생긴다. 이 홀은 가까이 있는 전자가 쉽게 이동할 수 있는 상태가 되며, +(Positive)전하를 가진 홀이 자유롭게 움직이는 것처럼 보여 전류가 흐르기 쉬운 상태로 된다. 이와 같이 홀이 생기는 반도체를 포지티브(Positive)의 머리글자를 따서 P형 반도체라고 한다.
실체로 트랜지스터에 사용되는 게르마늄 또는 실리콘은 그 순도가 99.9999999999 %로 9가 12개나 되는 매우 높은 것으로서 투웰브 나인(Twelve nine)이라고 부르며, 100억 개의 반도체 원자 중 1개나 2개 정도밖에 불순물원자가 섞여 있지 않다.
N형에 필요한 불순물은 인, 비소, 안티몬 등 5개의 가전자를 가지는 원소가 사용되고, P형에 필요한 불순물은 붕소, 알루미늄, 갈륨 인듐 등 3개의 가전자를 가지는 원소가 쓰인다.
<그림 2> 반도체 다이오드
※ 출처 - http://www.bazi.pe.kr
